JP2008084940A - 有機半導体素子の製造方法 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】本発明は、基板を用い、上記基板上に有機半導体材料からなる有機半導体層を形成する有機半導体層形成工程と、上記有機半導体層上に、真空紫外光に対する遮光性を有するパッシベーション層をパターン状に形成するパッシベーション層形成工程と、真空紫外光を上記パッシベーション層および上記有機半導体層上に照射することにより、上記パッシベーション層が形成されていない部位の有機半導体層をエッチングする有機半導体層パターニング工程と、を含む有機半導体トランジスタ形成工程を有することを特徴とする、有機半導体素子の製造方法を提供することにより、上記課題を解決するものである。
【選択図】図1
Description
すなわち、上記有機半導体材料は、加熱状態で成膜されることにより優れた半導体特性を発現するという性質を有するため、上記有機半導体材料を用いた半導体トランジスタを製造するに際しては、上記有機半導体材料からなる層を形成した後、これをパターニングする方法を用いることが必要となる。
ここで、上記有機半導体材料からなる層をパターニングする方法としては、一般的に、フォトレジストを用いるフォトレジスト法が用いられているが(例えば、特許文献1)、このようなフォトレジスト法は、有機半導体材料からなる層を所望のパターンに精度よくパターニングできる点においては優れているが、工程が煩雑であるため生産性に乏しいという問題点がある。
このようなことから、本発明によれば、有機半導体層を高精度で簡易的にパターニングすることが可能であり、有機半導体トランジスタを有する有機半導体素子を高い生産性で製造することができる。
このようなことから、本発明によれば、有機半導体層を高精度で簡易的にパターニングすることが可能であり、有機半導体トランジスタを有する有機半導体素子を高い生産性で製造することができる。
この点、本発明によれば、上記パッシベーション層形成工程において形成されるパッシベーション層を真空紫外光に対する遮光性を有するものにすることにより、上記有機半導体層パターニング工程において、フォトマスクを用いたり、フォトレジストを用いることなく、単に光源から真空紫外光を照射するのみで、上記有機半導体層をパターニングすることができる。このため、本発明によれば高生産性で有機半導体素子を製造することができる。
以下、本発明の有機半導体素子の製造方法に用いられる各工程について順に説明する。
まず、本発明に用いられる有機半導体トランジスタ形成工程について説明する。本工程は、基板を用い、上記基板上に有機半導体材料からなる有機半導体層を形成する有機半導体層形成工程と、上記有機半導体層上に、真空紫外光に対する遮光性を有するパッシベーション層をパターン状に形成するパッシベーション層形成工程と、真空紫外光を上記パッシベーション層および上記有機半導体層上に照射することにより、上記パッシベーション層が形成されていない部位の有機半導体層をエッチングする有機半導体層パターニング工程と、を含むものである。本発明の有機半導体素子の製造方法はこのような有機半導体トランジスタ形成工程を有することにより、高生産性で有機半導体素子を製造することができるのである。
まず、本工程に用いられるパッシベーション層形成工程について説明する。本工程は、後述する有機半導体層形成工程によって形成される有機半導体層上に、後述する有機半導体層パターニング工程に用いられる真空紫外光に対して遮光性を有するパッシベーション層をパターン状に形成する工程である。また、本工程によって形成されるパッシベーション層は、後述する有機半導体層パターニング工程において、真空紫外光を用いて有機半導体層をパターニングする際に、有機半導体層をパターン状にエッチングするためのマスクとしての機能と、本発明により製造される有機半導体素子において、有機半導体トランジスタのトランジスタ特性が経時で劣化することを防止する保護機能を有するものである。
本工程において、パッシベーション層を形成する方法としては、後述する有機半導体層パターニング工程に用いられる真空紫外光に対して所望の遮光性を有し、かつ、有機半導体トランジスタの保護機能を有するパッシベーション層を形成できる方法であれば特に限定されるものではない。なかでも、本工程においては上記遮光性および保護機能を備えるパッシベーション層形成材料が溶媒に溶解されたパッシベーション層形成用塗工液を、上記有機半導体層上にパターン状に塗工する方法を用いることが好ましい。このような方法によれば簡略された工程で上記パッシベーション層を形成することが可能だからである。
本工程においては、上記第1の方法および上記第2の方法のいずれの方法であっても好適に用いることができるが、なかでも上記第1の方法を用いることが好ましい。上記第2の方法は、パターニングされたパッシベーション層を形成するのに、パターニングされていないパッシベーション層を形成する工程と、当該パッシベーション層をパターニングする工程との2工程を必要とするのに対し、上記第1の方法は1工程で直接的にパターニングされたパッシベーション層を形成することが可能になるため、本工程を簡略化することができるからである。
本工程により形成されるパッシベーション層は、上述した有機半導体トランジスタの保護機能と、後述する有機半導体パターニング工程に用いられる真空紫外光に対する遮光性を有するものとなるが、ここで、上記遮光性の程度としては本工程においてパッシベーション層が形成された部位の有機半導体層が、後述する有機半導体層パターニング工程において劣化されない程度であれば特に限定されるものではない。したがって、上記遮光性の程度については、後述する有機半導体層パターニング工程において用いられる真空紫外光の波長に応じて適宜決定すればよい。なかでも本工程によって形成されるパッシベーション層は、後述する有機半導体層パターニング工程に用いられる真空紫外光の透過率が10%以下であることが好ましく、特に3%以下であることが好ましく、さらには1%以下であることが好ましい。上記真空紫外光に対する透過率が上記範囲内であることにより、後述する有機半導体層パターニング工程に用いられる真空紫外光の波長に関わらず、後述する有機半導体層パターニング工程において有機半導体層が劣化することを防止できるからである。
次に、本工程に用いられる有機半導体層パターニング工程について説明する。本工程は、後述する有機半導体層形成工程によって形成された有機半導体層および上記パッシベーション層形成工程によって形成されたパッシベーション層上に真空紫外光を照射することにより、上記パッシベーション層が形成されていない部位の有機半導体層をエッチングする工程である。
すなわち、真空紫外光は指向性のない分散光であるため、上記パッシベーション層および上記有機半導体層の全面を同時に照射する方法では、例えば、大面積の上記パッシベーション層および上記有機半導体層に真空紫外光を照射する場合に、中央部と端部とで真空紫外光の照射量に差が生じてしまう可能性がある。しかしながら、上記パッシベーション層および上記有機半導体層の全面を順次に照射する方法によれば、たとえ大面積の上記パッシベーション層および上記有機半導体層に真空紫外光を照射する場合であっても、全面に対して均一に真空紫外光を照射することが容易になるからである。
次に、本工程に用いられる有機半導体層形成工程について説明する。本工程は、基板を用い、上記基板上に有機半導体材料からなる有機半導体層を形成する工程である。
本工程において、上記基板上に有機半導体層を形成する方法としては、本工程に用いられる有機半導体材料の種類等に応じて、上記基板上に所望の厚みの有機半導体層を形成できる方法であれば特に限定されるものではない。このような方法としては、例えば、上記有機半導体材料が溶媒に可溶なものである場合は、当該有機半導体材料を溶媒に溶解して、有機半導体層形成用塗工液を調製した後、当該有機半導体層形成用塗工液を上記基板上に塗工する方法を挙げることができる。この場合の塗工方法としては、例えば、スピンコート法、ダイコート法、ロールコート法、バーコート法、LB法、ディップコート法、スプレーコート法、ブレードコート法、およびキャスト法等を挙げることができる。
一方、上記有機半導体材料が溶媒に不溶なものである場合は、例えば、真空蒸着法等のドライプロセスにより、上記基板上に有機半導体層を形成する方法を挙げることができる。
本工程に用いられる基板としては、本発明により製造される有機半導体素子の用途等に応じて任意の機能を有する基板を用いることができる。このような基板としては、ガラス基板等の可撓性を有さないリジット基板であってもよく、または、プラスチック樹脂からなるフィルム等の可撓性を有するフレキシブル基板であってもよい。本工程においては、このようなリジット基板およびフレキシブル基板のいずれであっても好適に用いられるが、なかでもフレキシブル基板を用いることが好ましい。このようなフレキシブル基板を用いることにより、本発明の有機半導体素子の製造方法をRoll to Rollプロセスにすることが可能になるため、本発明によって、より高い生産性で有機半導体素子を製造することが可能になるからである。
本工程により形成される有機半導体層の厚みとしては、上記有機半導体材料の種類等に応じて所望の半導体特性を備える有機半導体層を形成できる範囲であれば特に限定されない。なかでも本工程においては1000nm以下であることが好ましく、なかでも5nm〜300nmの範囲内であることが好ましく、特に20nm〜100nmの範囲内であることが好ましい。
本工程には、上記パッシベーション層形成工程、上記有機半導体層形成工程、および、上記有機半導体層パターニング工程以外の他の工程が含まれていてもよい。このような他の工程としては特に限定されるものではなく、本工程により形成される有機半導体トランジスタの構造等に応じて任意の工程を用いることができる。なかでも本工程においては、通常、ゲート電極を形成するゲート電極形成工程と、ゲート絶縁層を形成するゲート絶縁層形成工程と、ソース電極およびドレイン電極を形成するソース・ドレイン電極形成工程とが用いられる。
また、上記ゲート電極形成工程、上記ゲート絶縁層形成工程、および、上記ソース・ドレイン電極形成工程がトップゲート・トップコンタクト構造を有する有機半導体トランジスタを形成するように用いられる態様では、本工程は、有機半導体層形成工程、ソース・ドレイン電極形成工程、ゲート絶縁層形成工程、ゲート電極形成工程、パッシベーション層形成工程、および、有機半導体層パターニング工程の順に実施されることになる。
さらに、上記ゲート電極形成工程、上記ゲート絶縁層形成工程、および、上記ソース・ドレイン電極形成工程がトップゲート・ボトムコンタクト構造を有する有機半導体トランジスタを形成するように用いられる態様では、本工程は、ソース・ドレイン電極形成工程、有機半導体層形成工程、ゲート絶縁層形成工程、ゲート電極形成工程、パッシベーション層形成工程、および、有機半導体層パターニング工程の順に実施されることになる。
本工程により形成される有機半導体トランジスタは、少なくとも上記有機半導体層および上記パッシベーション層を有するものであるが、通常は、上記有機半導体層および上記パッシベーション層以外に、ゲート電極、ソース電極、ドレイン電極、および、ゲート絶縁層が用いられることにより、トランジスタとしての機能を発現するものである。
また、このようなボトムゲート型構造としては、ソース電極25およびドレイン電極26が上記有機半導体層21の上面に配置されているボトムゲート・トップコンタクト型構造であってもよく(図3(a))、または、ソース電極25およびドレイン電極26が上記有機半導体層21の下面に配置されているボトムゲート・ボトムコンタクト型構造であってもよい(図3(b))。
また、このようなトップゲート構造としては、ソース電極25およびドレイン電極26が上記有機半導体層21の上面に配置されているトップゲート・トップコンタクト型構造であってもよく(図4(a))、または、ソース電極25およびドレイン電極26が上記有機半導体層21の下面に配置されているトップゲート・ボトムコンタクト型構造であってもよい(図4(b))。
本発明の有機半導体素子の製造方法は、上記有機半導体トランジスタ形成工程以外に他の工程を有するものであってもよい。このような他の工程としては、特に限定されるものではなく、本発明により製造される有機半導体素子の用途等に応じて適宜選択して用いればよい。このような他の工程としては、例えば、本発明の有機半導体素子を液晶ディスプレイ装置用のTFTアレイ基板として用いる場合には、上記有機半導体トランジスタに接続されるように画素電極を形成する画素電極形成工程等を挙げることができる。
本発明により製造される有機半導体素子は、本発明の有機半導体素子は、有機半導体材料からなる有機半導体層および上記有機半導体層上に形成されたパッシベーション層を備える有機半導体トランジスタが、基板上に複数形成されたものとなる。
このような有機半導体素子において、上記基板上に上記有機半導体トランジスタが形成されている態様としては、特に限定されるものではなく本発明の有機半導体素子の用途等に応じて所望の態様で配置することができる。
(ゲート電極形成工程)
まず、大きさ100mm×100mm×0.7mmのCr付きガラス基板(Cr膜厚300nm)表面に、ゲート電極形状の開口部を有するスクリーンマスクを配置した後、エッチングペースト(関西ペイント社製)をスクリーン印刷した。次いで、100℃、5minのホットプレート上に上記印刷基板を置きレジストを硬化させた。次いで、Crエッチング液にてパターン部以外のCrをエッチングし、その後5%NaOH溶液にてレジストを剥離した。次いで、超音波洗浄機を用い純水で上記基板を洗浄した。
次に、上記基板にゲート絶縁層としてフォトレジスト(アクリル系ネガレジスト)をスピンコートした。このときのスピンコートは、800rpmで10sec保持させた。その後、基板を120℃で2分乾燥させた後、350mJ/cm2でパターン露光した。
次に、ゲート電極以外の部分を除去するために現像工程を行い、その後、200℃のオーブンで30分乾燥させた。
上記ゲート絶縁層形成後の基板表面に、ソース・ドレイン電極形状の開口部を有するメタルマスクを配置した後、膜厚50nmのAu膜を蒸着し、ソース・ドレイン電極を形成した。このとき、蒸着の際の真空度は1×104Paとし、蒸着速度は約1Å/secとした。形成されたソース電極およびドレイン電極を反射型光学顕微鏡にて観察したところ、ソース電極とドレイン電極との電極間距離(チャネル長)は50μmであった。
次に、上記ソース電極およびドレイン電極が形成された基板にスピンコート法を用い高分子有機半導体をコーティングした。高分子有機半導体は固形分0.2wt%、溶剤ジクロロベンゼンを含む溶液を用いた。その後、上記基板を200℃まで20℃/minのレートで徐々に加温していき、200℃で10min保持した後、6℃/minのレートで室温まで徐冷を行った。
次に、遮光性樹脂材料としてPVPを用い、当該PVPに架橋剤を混合し、ヘキサノール溶媒に固形分30質量%で溶解したパッシベーション層形成用塗工液を作製した。次いでスクリーン印刷法によりパターン状のパッシベーション層を形成した。このときスクリーン版は、500メッシュ、乳剤1μmのものを使用した。スクリーン印刷機はマイクロテック社製の装置を用いた。また印刷条件は、印圧0.2MPa、クリアランス2.6mm、スキージスピード100mm/secで行った。その後、200℃まで20℃/minのレートで徐々に加温していき、200℃で10min保持した後、6℃/minのレートで室温まで徐冷を行った。
次に、真空紫外光(172nm、照度11mw/cm2)を基板全面に照射した。このときGapを0.7mm、照射時間を60sとした。照射後はパッシベーション層が真空紫外光を吸収する為、パッシベーション層がパターニングされていない部分にある有機半導体層は除去され、パッシベーション層がパターニングされた部分にのみ有機半導体層が残っていることが確認された。
作製した有機半導体素子の有機半導体トランジスタのトランジスタ特性を測定した結果、トランジスタとして駆動していることが分かった。このとき、有機半導体トランジスタのON電流は1×10−5A、OFF電流は3.5×10−11Aであった。ON/OFF比6桁であり、閾値電圧は10Vであった。測定条件はゲート電圧を100V〜−80Vまで−2V刻みで印加した。次いでソース・ドレイン電圧を−80Vと固定し、ソース・ドレイン間に流れる電流値を測定した。また、トランジスタ評価においてはいずれの場合においても大気中、遮光下で測定を行った。
上記遮光性樹脂材料としてフッ素系樹脂を用いたこと以外は、実施例と同様の方法により有機半導体トランジスタを有する有機半導体素子を作製した。
作製した有機半導体素子の有機半導体トランジスタのトランジスタ特性を測定した結果、トランジスタとして駆動しないことが確認された。測定条件はゲート電圧を100V〜−80Vまで−2V刻みで印加した。次いでソース・ドレイン電圧を−80Vと固定し、ソース・ドレイン間に流れる電流値を測定した。また、トランジスタ評価においてはいずれの場合においても大気中、遮光下で測定を行った。
なお、有機半導体トランジスタがトランジスタとして駆動しなかった原因は、フッ素系樹脂をパッシベーション層として用いた場合、真空紫外光を透過し、パッシベーション層下部にある有機半導体層が除去されたことによると考えられる。
10 … 基板
20,20’,20’’,20’’’ … 有機半導体トランジスタ
21 … 有機半導体層
22 … パッシベーション層
23 … ゲート電極
24 … ゲート絶縁層
25 … ソース電極
26 … ドレイン電極
Claims (3)
- 基板を用い、前記基板上に有機半導体材料からなる有機半導体層を形成する、有機半導体層形成工程と、
前記有機半導体層上に、真空紫外光に対する遮光性を有するパッシベーション層をパターン状に形成するパッシベーション層形成工程と、
真空紫外光を前記パッシベーション層および前記有機半導体層上に照射することにより、前記パッシベーション層が形成されていない部位の有機半導体層をエッチングする有機半導体層パターニング工程と、を含む有機半導体トランジスタ形成工程を有することを特徴とする、有機半導体素子の製造方法。 - 前記真空紫外光の波長が10nm〜200nmの範囲内であることを特徴とする、請求項1に記載の有機半導体素子の製造方法。
- 前記パッシベーション層が、前記真空紫外光に対する遮光性を有する遮光性樹脂材料からなることを特徴とする、請求項1または請求項2に記載の有機半導体素子の製造方法。
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